双等离子体装置及其放电状态_马锦秀

双等离子体装置及其放电状态*
马锦秀，李阳芳，李经菊，俞昌旋，曹径祥，汪海，闻一之
中国科学技术大学近代物理系，合肥 230027
摘要
本文描述双等离子体装置的结构特点、真空运行状态、放电特性、以及等离子体状态的初步实验结果，并讨论在物理实验上的应用。

一、引言
双等离子体装置在实验室等离子体物理中有很多应用，由于两个真空室既可以单独工作，又可以对接工作，并且两真空室之间可以电绝缘使两边保持不同电位，因此具有很大的灵活性，在这样的装置上可以进行很多等离子体物理实验，如等离子体集体波动，带电尘埃与等离子体相互作用等等，鉴于这些原因，我们建立了双等离子体装置。

二、双等离子体装置整体结构
此装置由左右两个对称的真空室组成，其实物照片由图1所示，图2为结构示意图。

装置由左右双筒、左右法栏盖、内部滚筒、动密封、抽气系统、真空检
图1、双等离子体装置实物照片
______________________________________________________________________ * 本工作得到国家自然科学基金(批准号10175064，40244006)、教育部优秀青年教师资助计划和高等学校博士学科点专项科研基金的资助。

图2、双等离子体装置结构示意图
测系统、以及冷却系统组成。

左右双筒为对称结构，是Φ500×500的不锈钢筒，筒的两端是Φ610×δ21.5的法栏，在筒的上侧（或下侧）开有Φ150的刀口法栏，用于接抽气系统和通过动密封接电机。

在筒的前后两侧对称开有Φ100的观察窗口，用10mm厚的石英玻璃做法栏盖，用来观察真空室内部情况。

在筒的上下侧有Φ16接口各两个，用于插入规管，在其中一侧的中间有进气口，接WTK30-1型针阀。

在Φ100观察窗的两侧各有一个Φ10的接口，用来插探针或其他元件接入口。

在整个筒的外侧均匀布满Φ20×20的钕铁硼永久磁铁，磁铁的表面磁场约为5400 Gauss，其排列为环绕筒的方向是NS交替分布，一周排36个，沿筒的轴向排列是相同极性，每排13个，磁铁固定在磁铁盒内。

磁场能透入真空室，在筒的内表面许多磁偶极结构，用来表面约束等离子体。

此外在筒的外侧两排磁铁中间布有若干道Φ8的冷却水管(铜管)，用来冷却筒的表面，使磁铁不因温度升高而磁性降低。

在左右筒之间用聚四氟乙烯或不锈钢法栏相连，其上可安装栅网，此法栏用绝缘螺栓固定，可以保证左右两筒电绝缘。

除刀口法栏外，其余法栏和开口处均用氟橡胶密封。

　
左法栏盖为Φ610×δ21.5的不锈钢，在其中心和两边125mm处开有三个Φ50的法栏，既可用作小观察窗，亦可用作其他部件(如探针)的接入口，法栏盖上安装9个电极，每3个一组，均匀分布在3个不同的圆周上，用来做阴极灯丝和阳极铜网的支撑和接口。

在电极周围开有矩形和环形水槽，用来冷却电极和法栏盖。

此外在垂直方向的直径上下两处对称开Φ10的探针口，用来按放探针。

右法栏盖与左法栏盖的结构一样，只是少了电极和冷却水槽。

内部滚筒是Φ472×４１４的不锈钢卷筒，固定在右真空室内，其结构分内外卷
筒组成，内卷筒是不锈钢栅网，与滚筒基座相连，固定不动，外卷筒与基座之间用轴承相连，可以滚动。

滚筒外部中间有一环齿轮，用转轴通过动密封与外部步进电机相连，由电机驱动滚筒旋转。

内部滚筒与整个真空室可以电绝缘，其用途有两个，一是可以和真空室之间加不同偏压，用来控制内部的放电状态，二是在里面放尘埃粉末，滚动时可以将尘埃颗粒引入等离子体，用来研究带电尘埃与等离子体相互作用。

　
动密封安装在右真空室下面Φ150的刀口法栏盖上，主要结构由转轴和过度套组成，转轴按在过度套内，由轴承支撑，中间用两个O形橡胶圈密封，橡胶圈中间隔一斜垫，用来压紧O形圈，转轴可自由转动，工作时真空度可达10-3 Pa以下。

抽气系统由接管、真空泵、插板阀等组成，接管是Φ150内径的不锈钢管，与左真空室上方的刀口法栏相连接，接到真空室的一侧相下延长到真空室的中线处，然后与CCQ-150型插板阀相连，插板阀下面接F160/450型涡轮分子泵，再通过1米长的Φ40波纹管与2XZ-4B型直联旋片式机械泵相连。

真空检测系统是由电阻规、电离规、ZDF-3型复合真空计组成，电阻计工作范围为大气到10-1 Pa，可测量粗真空，电离计工作范围为100 - 10-5 Pa，可测量高真空，真空计能自动换挡。

冷却系统采用水冷，工作时对分子泵、左法栏盖、左右真空壁都需进行冷却，在灯丝加热一段时间后，若无水冷，则电极温度相当高，左法栏盖和真空壁的温度也高可达约50o C，加水冷后温度明显降低。

三、真空运行情况
机械泵单独工作时，从大气开始到极限真空度约需30分钟，机械泵的极限真空约为2-6 Pa (机械泵理论极限为6×１０－１　Ｐａ)。

当真空度低于200Pa时可以开分子泵，分子泵工作时对于单个真空室和两个真空室的情况有所不同，左真空室单独工作时分子泵稳定后大约30分钟真空度就可达到5×１０－４Ｐａ，一两小时后可达极限真空１×１０－４Ｐａ，而当左右真空室对接工作时，分子泵稳定工作后需要２小时左右才能到5×１０－４Ｐａ的真空度，经过辉光放电后才能接近１×１０－４Ｐａ的极限真空，说明对接后除体积增大外，还有微漏存在，其中如果用聚四氟乙烯作为对接法栏时，则真空度最高只能到10-2-6×１０－３Ｐａ的量级，只有用不锈钢法栏对接时才能到上述真空度，相差一个量级，原因是真空室两边法栏的密封是用氟橡胶，而氟橡胶与聚四氟乙烯的密封是软对软，压不紧，所以存在微漏。

用不锈钢对接后经氦质谱捡漏仪捡漏，在其灵敏度范围内未发现漏气现象，可能内部有放气或有污染，因此需要辉光清洗。

四、放电状态
工作时先将本底气压抽至5×１０－４Ｐａ，然后由针阀冲氩气到所需要的工作气压，然后点亮灯丝，待稳定后在灯丝阴极和铜网阳极之间加放电电压至稳定辉光放电所需的电压，在右法栏接入的静电探针上加低频扫描电压，用示波器测量探针回
路的电流，由探针的伏安曲线推算等离子体密度和电子温度、以及探针的悬浮电位，改变探针的位置可测得密度、温度和电位的空间分布。

图３为测量得到的电
1.01.11.2
1.3 T e (e V )X (cm)
I e s (m V )X (cm)
图3. 电子温度和饱和电子流的轴向分布。

子温度和密度(饱和电子流)沿真空室轴线方向的空间分布，可见电子温度略有所增加，但增加量实验误差范围内，因此电子温度应该近似不变，电子密度沿轴线方向从左到右是下降的，这是由于等离子体是从源区（左真空室）产生扩散到右真空室的结果，不均匀性的标长约为60cm 左右。

该装置在不同的气压和电流条件下产生的等离子体电子温度大约在1-2eV 范围，密度约为109cm -3，不均匀性与气压有关，标长几乎与气压近似成反比。

图4是等离子体空间电位和悬浮电位的轴向分布，其中空间电位是从左到右降低的，说明沿轴向有一微弱的电场，即双极电场，而悬浮电位变化略复杂些，在观察窗附近（45cm 附近）有极小值。

V p (V )X (cm)
V f (V )X (cm)
图4. 等离子体空间电位和悬浮电位的轴向分布。

五、结论
我们建立了双等离子体装置并进行了调试，进行了抽真空试验，真空度基本达到要求，但左右两真空室对接后抽速略有些慢。

在其中进行了初步的放电实验，测得电子温度和密度的空间分布，以及得到等离子体电位和悬浮电位的分布，初步知道其中的状态。

进一步的实验还需诊断流场分布等等。